2018年02月07日 | 基于ARM7嵌入式系统的数据采集与无线传输模块的设计方案

    本文提出了一种基于ARM7嵌入式系统的数据采集与无线传输模块的设计方案，实现高精度、快速、实时的数据采集与传输。介绍了基于LPC220芯片的数据采集系统，给出了由嵌入式LPC2220微处理器和射频收发芯片nRF905组成的无线传输模块设计。当其工作在868 MHz频段时，数据传输速率可达1 Mbit·s-1，采用高增益天线，使得传输距离可达800 m以上，且表现出良好的稳定性。最终实现高精度、快速、实时的数据采集与传输。

    随着数据监测、无线通信和EDA技术等应用领域的不断扩展，人们对数据采集系统的采集精度、采集速度以及数据存储量都提出了更高的要求。针对当前数据采集系统的不足，提出了一种基于ARM7处理器LPC2220的嵌入式高速数据采集系统设计，以满足系统高速、实时，数据存储量大的需求。此外，由于模拟信号的抗干扰能力差而不利于传输，因此通常利用数字信号进行传输。利用无线通信方式，系统结构轻巧、维护方便。适用于防汛防旱等灾难预警中的数据检测，例如降雨量采集、水文站水位监测等。

    1 数据采集模块设计

    1．1 概述

    所谓数据采集，就是通过传感器把一些物理量转换成模拟电信号，经过处理后再转换成计算机能识别的数字量，送入计算机。数据采集的关键问题是采集速度和精度。采集速度主要与采样频率和A／D转换速度有关，采集精度主要与A／D转换器的位数有关。高速数据采集系统的设计需要解决的是系统在速度、精度、数据存储方面的矛盾。文中介绍的数据采集系统采用飞利浦公司的LPC2220微处理器。数据采集系统(DAS)按照功能可分为：模拟信号调理电路、模数转换器、数据采集和存储、时钟电路、系统时序及逻辑控制电路。如图1所示。

    
1．2 系统时钟电路设计
    时钟信号的稳定性决定了采样系统的性能。而相位噪声和抖动是反映时钟信号稳定性的两个主要指标。其中，相位噪声用来描述时钟信号的频谱纯度，相位抖动则直接影响时钟的过零点。时钟信号相位抖动对模数转换信噪比的影响，可通过式(1)计算得出
    

    其中，fs为采样时钟频率；N为模数转换器的位数；△clk为时钟信号相位抖动量。因此，取样时钟的稳定性与信噪比的性能之间也存在着密切的关系。

    1．3 系统抗干扰设计

    高速数据采集系统存在较大的干扰问题，例如信号连线上的延迟、串扰、器件内部过度干扰和热噪声、电源干扰、地噪声等。不仅会影响着运算放大器与A／D转换器等模拟器件的精度，严重时还将影响系统的正常工作。因此在高速数据采集系统设计中，整个系统的采集精度主要取决于系统的抗干扰设计，尽可能减小或者消除干扰源。文中主要从以下几个方面进行考虑：

    (1)电源设计方面。根据高速电路设计理论，A／D采集系统中的电源应当采用线性电源，以避免开关电源引入噪声。为降低电源阻抗，减小噪声对电源的干扰，通常采用电源层设计，尽可能增大电源面积。在设计每个芯片的供电电路时，在每个芯片的电源附近并联去耦电容和旁路电容。去耦电容为芯片提供局域化的直流；旁路电容可以消除高频辐射噪声和一直高频干扰。

    (2)接地技术方面。高速数据采集系统的模拟地和数字地应严格分开，最后单点共地。共地点通常选择在ADC芯片管脚所需电流最大的位置，这样可以使大电流对地回流最近。以避免对模拟电路的干扰，提高系统的采集精度。模拟地和数字地可以通过磁珠连接，由于磁珠的高频阻抗大，而直流电阻为零，能够滤除高频电流减少地线上的高频噪声。

    2 无线传输模块硬件设计

    无线传输模块采用单片射频收发芯片nRF905，负责将工作在433／868／915 MHz国际通用的ISM频段，频段间的转换时间<650μs。gmsk ／GFSK调制和解调，抗干扰能力强。采用DDS+PLL频率合成技术，频率稳定性好。数据速率可达100 kbit·s-1，170个频道，传输有效半径达500～1 000 m。

    nRF905无线通信芯片采用抗干扰能力强的GMSK调制方式，工作频率稳定可靠，其显着特点是外围元件少、工作电压低，功耗小，接收待机状态仅为2．5μA，可满足低功耗设备的要求。灵敏度高，达到-100 dBm，最大发射功率达+10 dBm。该芯片在设计上充分考虑了用户编程和使用的方便，它可以直接连接单片机串口并可进行发送和接收数据，而无需对数据进行曼彻斯特编码。由于采用了低发射功率、高接收灵敏度的设计，使用无需申请许可证，在发射功率+10 dBm情况下，开阔地的使用距离可达1 000 m。

    Shock Burst TM模式：与射频数据包有关的高速信号处理都在nRF905片内进行，数据在微控制器中低速处理，但在nRF905中高速发送，因此中间有较长时间的空闲，这很有利于节能。由于nRF905工作于ShockBurst TM模式，因此使用低速的微控制器也能得到较高的射频数据发射速率。在Shock Burst TM接收模式下，当一个包含正确地址和数据的数据包被接收到后，地址匹配(AM)和数据准备好(DR)两引脚通知微控制器。在Shock Burst TM发送模式，nRF905自动产生字头和CRC校验码，当发送过程完成后，数据准备好引脚通知微处理器数据发射完毕。由以上分析可知，nRF905的Shock Burst TM收发模式有利于节约存储器和微控制器资源，同时也减小了编写程序的时间。
2．2 LPC2220与无线收发模块的连接
    nRF905无线收发器电路模块与LPC2220开发板连接的硬件框图如图2所示，LPC2220处理器可以通过SPI接口及相关指令访问nRF905的寄存器。LPC2220中具有两个完全独立的SPI控制器：SPI0和SPI1。此处采用SPI0，其可配置为SPI主机或从机，支持全双工数据通信，最大数据率为外设时钟的1／8。电路天线部分使用高增益天线，在理想状况下，传输距离可达800 m以上。

    
    当ARM有数据要发送时，通过SPI接口，按时序把接收机的地址和要发送的压缩数据传输到nRF905无线收发芯片中，再通过天线发送出去，这样完成了对1帧压缩数据的传输。SPI接口的速率在通信协议和器件配置时确定。ARM置高nRF905的TRX_CE，TX_EN管脚，激发nRF905的Shock Burst TM发送模式。P0.13管脚与DR管脚相连，通知ARM数据己发送完，P0.7管脚与CSN管脚相连，由主机ARM激活，决定从机nRF905是否开始读取数据。

    nRF905与LPC2220两个这样的模块连接即可组成一个无线数据收发系统，如图3所示。串口通信时，通信双方必须要求相同的波特率才不会丢帧；同时也必须要求一致的通信数据格式，这都是通过LPC2220芯片的UART通信接口模块进行设置的。

    3 实验结果分析

    基于nRF905的无线传输模块最终实现了低功耗远距离的数据传输。经实验分析表明：当传输模块工作在868 MHz频段时，数据传输速率可达1 000 kbit·s-1；若采用高增益天线，则可使传输距离达到800 m以上，且表现出良好的稳定性。

    4 结束语

    嵌入式系统以其本身体积小巧便携、实时性高、稳定性好等优点，成为多领域共同研究的热点。文中采用ARM7作为控制器，其结构小巧，与外设连接提供了稳定可靠的硬件架构、功耗小、性能稳定、维护方便；不仅降低了成本，并且有效实现了高精度、高速、实时的数据采集，提高了系统的可靠性和实时性。此外，设计的无／线收发模块，采用nR9905通过SPI接口同微拉制器进行数据传送，通过ShoekBurstTM收／发模式进行无线数据发送，收／发可靠，实现简单。当工作在868 MHz频段时，数据发送／接收速率为1 000 kbit·s-1，收／发距离可达十几m，表现出良好的稳定性，实现高速传输。